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Historique et architecture générale des ordinateurs

Eric Cariou

Université de Pau et des Pays de l'Adour UFR Sciences Pau - Département Informatique

[email protected]

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Ordinateur



Ordinateur : une définition (Hachette)

 Machine capable d'effectuer automatiquement des opérations arithmétiques et logiques (à des fins scientifiques, administratives, comptables, . . . ) à partir de programmes définissant la séquence de ces opérations.



But d'un ordinateur

 Définir et exécuter des séquences de calcul

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Historique



Apparition du calcul

 Dès la préhistoire on comptait avec des cailloux et avec ses doigts

 Calcul vient du latin calculi signifiant caillou



Antiquité

 Chaque civilisation (grecs, romains, chinois ...) avait développé des

 Systèmes et bases de numérotation

 Méthodes pour compter et calculer



Ensuite sont apparus les outils pour aider aux calculs

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Historique



Outils de calcul

 Les premiers : abaques ou boulier

 Développés par plusieurs civilisations (romains, grecs, chinois, japonais, mexicains,indiens...)



Abaque romain en ivoire

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Historique



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^ème

siècle : la science s'intéresse de plus en plus aux outils de calcul

 1620 : règle à calcul (selon les principes de Neper)

 1623, Shickard : première machine à calculer, roues dentées et retenues

 1642, Pascal : machine faisant des additions et soustractions de 6 chiffres (la Pascaline)

 1674, Leibniz : calculatrice avec 4 opérations arithmétiques

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Historique



La pascaline

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Historique



Automatisation des calculs

 1728, Falcon : planchette de bois trouée pour commander un métier à tisser

 1805, Jacquard : utilise à la place des cartons perforés, perfectionne le système

 1834, Babbage : utilise un système de commande pour des machines à calculer

 On pouvait programmer des calculs avec des cartes perforées

 Le « premier ordinateur »

 Notions de processeur, entrées/sorties, mémoire ...

 Mais trop complexe pour la technologie de l'époque, il n'arriva jamais à finaliser la construction de sa machine

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Historique



Le musée des sciences de Londres a construit la machine de Babbage selon ses plans de l'époque

 8000 pièces, 5 tonnes, 3m x 2m x 0,45m

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Historique



Avancées théoriques

 1854, Boole : algèbre de Boole, logique symbolique

 1938, Shannon : liens algèbre de Boole et les signaux/composants électriques

 1936, Turing : machine de Turing



Naissance de l'ordinateur

 Fin des années 30/

début 40, plusieurs prototypes fonctionnant en binaire et basés sur logique booléenne

 Ex : 1941, Zuse : Z3, calculateur utilisant une

technologie électro-mécanique 10

Historique



1945, Eckert & Mauchly : ENIAC

(Electronical Numerical Integrator And Calculator)

 Premier calculateur/ordinateur moderne

 Entièrement électronique

 Utilise des tubes à vide et des relais

 Machine universelle, programmable

 Utilise un système décimal

 Inconvénient : difficulté de passer d'un programme à un autre (6000 commutateurs connectables pour programmer)

 30 tonnes, forme de U de 6 mètres de large et 12 de long

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Historique



Avancée majeure : Von Neumann, 1945

 Idée : stocker le programme à exécuter dans la mémoire de l'ordinateur

 Avant : suite séquentielle d'instructions

 Programme était généralement entré via des cartes perforées

 Maintenant

 Le programme peut prendre des décisions selon des résultats intermédiaires

 Changer de chemin dans la séquence d'instructions

 Effectuer des tests, des boucles, des sauts conditionnels ...

 Von Neumann définit également une architecture générale : naissance de l'ordinateur

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Machine de Von Neumann



Machine de Von Neumann = ordinateur

 Machine universelle contrôlée par un programme

 Les instructions du programme sont stockées en mémoires et codées en binaire

 Les instructions sont exécutées en séquence par défaut

 Mais le programme peut en modifier l'ordre d'exécution

 Création d'instructions pour ruptures de séquences

 Le programme peut se modifier

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Architecture de Von Neumann



Von Neumann a également défini l'architecture générale d'un ordinateur



5 éléments principaux

 Unité arithmétique et logique (UAL ou ALU)

 Unité de commande

 Unité d'entrées

 Unité de sorties

 Mémoire centrale



Cette architecture est toujours en vigueur de nos jours même si en versions beaucoup

plus complexes

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Avancées technologiques



Génération 0 : 17

^ème

siècle à 1945

 Calculateurs mécaniques



Première génération : 1945 – 1955

 Tubes à vide

 Premiers calculateurs électroniques

 Ex: ENIAC



Seconde génération : 1955 – 1965

 Transistors remplacent les tubes à vides

 Premières séries commerciales d'ordinateurs

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Avancées technologiques



Troisième génération : 1965 – 1980

 Circuits intégrés : permettent de placer un nombre important de transistors sur une même puce de silicium

 Début de la montée en puissance et de la miniaturisation

 1971 : Intel 4004

 Première unité de calcul (sur 4 bits) intégrée entièrement sur une seule puce

 Premier micro-processeur

 Performances identiques à l'ENIAC pour une taille de moins de 11mm2

 2300 transistors, 740 kHz,

90 000 opérations par seconde 16

Avancées technologiques



Quatrième génération : 1980 à aujourd'hui

 VLSI / ULSI: Very / Ultra Large Scale Integration

 Intégration de milliers à milliards de transistors sur une même puce

 Toujours plus de puissance et de miniaturisation à un coût toujours moindre

 Oracle Sparc M7 (2015)

 32 cores

 10 milliards de transistors

 Fréquence de 4,13 GHz



Cinquième génération

 Ordinateurs quantiques ?

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Éléments principaux d'un ordinateur



UAL : réalise des opérations élémentaires

 Arithmétique : addition, soustraction, multiplication ...

 Logique : ET, OU, comparaison ...



Unité de commande

 Coordinateur général

 Lit les instructions du programme en mémoire

 Commande l'UAL pour exécuter ces instructions

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Éléments principaux d'un ordinateur



Mémoire centrale

 Stocke les programmes et les données

 Enregistre les résultats intermédiaires et/ou finaux



Unités d'entrées et de sorties, pour communication avec

 En entrée : clavier, souris, disque dur, ...

 En sortie : carte graphique, disque dur, ...

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Éléments principaux d'un ordinateur



Processeur central

 Contient

 UAL

 Unité de commande

 Mémoire cache

 Mémoire intermédiaire pour optimiser les performances

 Aussi appelé CPU (Central Processing Unit)



CPU communique avec

 La mémoire, les entrées, les sorties ...

 ... via des bus

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Bus

 Les systèmes/éléments sont reliés par

 Un ensemble de câbles faisant transiter les informations (signaux électriques)

 Besoin de communication entre tous les éléments

 Maillage complet : chaque élément relié à tous les autres éléments

 Autre solution : partage des câbles via bus

 Bus

 Relie plusieurs systèmes via le même câblage électrique : canal partagé (multiplexage)

 Seuls 2 éléments communiquent simultanément

CPU Mémoire Disque dur Vidéo Bus

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Bus

 En pratique : plusieurs bus +/- rapides ou partagés

 Dans un PC, bus rapides

 Bus système (FSB ou Front Side Bus)

 Bus de communication avec le CPU

 Bus mémoire : communication avec la mémoire

 Bus AGP ou PCI Express : communication avec la carte graphique

 Dans un PC, bus plus lents

 PCI : cartes réseaux, son ...

 Connexion périphérique de stockage (DD, CD, DVD...)

 ATA, SATA, SCSI ...

 Connexion de périphériques extérieurs

 USB, FireWire ...

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Bus



Chipset : dispositif interconnectant tous ces bus



Composé de 2 éléments

 Pont nord (NorthBridge) : pour les bus rapides

 Pont sud (SouthBridge) : pour les bus lents

CPU

Cache L2 North

Bridge

Vidéo RAM FSB

AGP Mémoire

South Bridge

Stockage PCI

USB ATA

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Carte mère PC

AGP

PCI

South Bridge

North Bridge

CPU

RAM ATA